Bms 4s li ion с балансировкой схема

В наш современный век всеобщей популяризации литиевых батарей любой, даже простой пользователь бытовых устройств, должен хотя-бы примерно представлять их функционирование и факторы риска при их эксплуатации. Среди произошедших несчастных случаев с аккумуляторами (например, электронных сигарет) лишь небольшой процент обязан производственному браку, чаще всего неисправности возникают в результате неправильной эксплуатации.

В нашей статье мы рассмотрим новейшие технологии, которые призваны защитить литиевые аккумуляторы, а также расскажем, почему они так важны.

Из теории литиевых аккумуляторов можно узнать, что им противопоказан перезаряд, переразряд или разряд слишком большими токами, а также короткие замыкания. При переразряде, в аккумуляторе образуются металлические связи между катодом и анодом, которые приводят к короткому замыканию при зарядке аккумулятора, что может привести к порче не только элементов питания, но и зарядного устройства. Перезаряд же (набор аккумулятором напряжения больше разрешенного) почти сразу ведёт к возгоранию, а зачастую даже к взрыву.

Для горения литиевых аккумуляторов не нужен кислород – оно происходит анаэробно, поэтому стандартные методы тушения не подходят; также, при реакции лития с водой выделяется еще и горючий газ водород, который только ухудшает ситуацию. Разряд высокими токами приводит к вздутию аккумулятора, а если нарушается целостность оболочки – происходит реакция лития с водяными парами в воздухе, что само по себе способно спровоцировать возгорание.

Всё это отнюдь не перечёркивает явные преимущества аккумуляторов, среди них:

  • большая плотность энергии на единицу массы
  • низкий процент саморазряда
  • практически полное отсутствие эффекта памяти (когда заряд неполностью разряженного элемента приводит к снижению ёмкости)
  • большой температурный диапазон работы

Незначительное снижение напряжения в процессе разряда накладывает некоторые обязанности на пользователя. Нельзя допустить превышения максимального напряжения (4.25 В), снижение напряжения ниже минимального (2.75 В), а также превышения рабочего тока, который отличается для каждой модели. И в этом хитром деле нам помогут специальные устройства – BMS-контроллеры!

Что такое BMS?

В переводе с английского, BMS (Battery Management System) – система управления батареей. Понятие слишком широкое, поэтому оно описывает почти все устройства, так или иначе обеспечивающие корректную работу аккумуляторов в данном устройстве, начиная с простых плат защиты или балансировки, заканчивая сложными микроконтроллерными устройствами, подсчитывающими ток разряда и количество циклов заряда (например, как в батареях ноутбуков). Мы не будем рассматривать сложные устройства – как правило, они специфичны и не предназначаются для рядового радиолюбителя, а выпускаются только под заказ для крупных производителей устройств.

То, что продаётся повсеместно, условно можно разделить на четыре категории:

  • балансиры
  • защиты (по току, напряжению)
  • платы, обеспечивающие заряд (да, они тоже считаются устройствами BMS)
  • те или иные комбинации вышеперечисленных вариантов, вплоть до объединения всего в одно устройство

Чем функциональней и разветвлённей защита – тем больше ресурс работы вашего аккумулятора.

Принцип работы BMS-контроллеров

Давайте посмотрим, по какому принципу BMS системы выполняют своё предназначение.

Структурно на плате можно выделить:

  • микросхема защиты
  • аналоговая обвязка (для определения тока/балансировки аккумуляторов)
  • силовые транзисторы (для отключения нагрузки)

Рассмотри подробнее работу каждой из защит.

Защита по току (от короткого замыкания / превышения допустимого тока)

Существует множество вариантов узнать, какой ток течёт по линии. Самый распространённый – шунт (измерение падения напряжения на резисторе с низким сопротивлением и большой мощностью), но он требует большой точности измерений и весьма громоздкий. Метод с измерением на основе эффекта Холла лишён этих недостатков, но стоит дороже, поэтому самый распространённый метод определения КЗ на линии – измерение напряжения, которое проседает практически до нуля в режиме КЗ.

Современные контроллеры позволяют сделать это в очень короткий промежуток времени, за который ущерб не нанесётся ни подключенному устройству, ни самому аккумулятору. Но защита по току может функционировать и на шунте – ведь в случае BMS тут не нужно точное измерение, важен лишь переход падения напряжения через определённый порог. Как только событие наступает, контроллер сразу же отключает нагрузку при помощи транзисторов.

Защита по напряжению (от перезаряда или переразряда)

С этой защитой разобраться попроще, так как измерение напряжения легко можно сделать, используя аналогово-цифровой преобразователь. Но и тут есть некая специфика – стоит отметить, что если контроллер защищает большую сборку из последовательно соединённых аккумуляторов, то обычно он меряет напряжение каждой банки персонально, так как ввиду мельчайших различий в элементах они имеют мельчайшие же различия по ёмкости, что выливается в неравномерный разряд и возможность высадить «в ноль» отдельный элемент.

Некоторые системы не подключают нагрузку, не дождавшись дозаряда аккумулятора до определённого напряжения после срабатывания триггера по переразряду, то есть недостаточно подзарядить элемент пару минут, чтобы он поработал ещё хоть малое время – обычно необходимо зарядить до номинального напряжения (3.6 – 4.2В, в зависимости от типа аккумулятора).

Защита по температуре

Редко встречается в современных устройствах, но не зря большинство аккумуляторов для телефонов оборудовано третьим контактом – это и есть вывод терморезистора (резистора, имеющего чёткую зависимость сопротивления от окружающей температуры). Обычно перегрев не наступает сам собой и раньше успевают сработать другие виды защиты – например, перегрев может быть вызван коротким замыканием.

Алгоритм работы заряда батарей

Зарядка литиевых аккумуляторов происходит в 2 этапа: CC (constant current, постоянный ток) и CV (constantvoltage, постоянное напряжение). В течение первого этапа зарядное устройство постепенно поднимает напряжение таким образом, чтобы заряжаемый элемент брал заданный ток (обычное рекомендованное значение равно 1 ёмкости аккумулятора). Когда напряжение достигает 4В, зарядка переходит на второй этап и поддерживает напряжение 4.2В на батарее.

Когда элемент практически перестанет брать ток, он считается заряженным. На практике, алгоритм можно реализовать и при помощи обычного лабораторного блока питания, но зачем, если есть специализированные микросхемы, заранее «заточенные» под выполнение этой последовательности действий, например, самая известная из них – TP4056, способна заряжать током до 1А.

Что такое балансировка?

Напоследок мы оставили самую интересную функцию BMS – функцию балансировки элементов многобаночного аккумулятора.

Итак, что же такое балансировка? Сам процесс её подразумевает выравнивание напряжений на элементах батареи, соединённых последовательно для повышения общего напряжения сборки. Из-за небольших отличиях в ёмкости батарей они заряжаются за немного разное время, и когда одна банка может уже достигнуть апогея зарядки, остальные могут ещё недобрать заряд.

При разряде такой сборки большими токами наиболее заряженные элементы по закону Ома возьмут на себя больший ток (при равном сопротивлении ток будет зависеть от напряжения, которое находится в знаменателе формулы), что вызовет их ускоренный износ и может вывести элемент из строя. Для того, чтобы избежать этой проблемы, применяют аккумуляторные балансиры – специальные устройства, выравнивающие напряжения на банках до одного уровня.

Активные и пассивные балансиры

Активные балансиры производят балансировку уже при зарядке – зарядив одну банку сборки, они отключают её от питания, продолжая заряжать вторую. Как яркий пример такого устройства – популярное среди моделистов ЗУ Imax B6, в режиме Balance оно сразу проверяет напряжения индивидуально на каждой банке и справляется с этим на отлично.

Пассивные балансиры наоборот, разряжают элементы до одного значения малыми токами через резисторы. Их основной плюс – они не требуют внешнего питания, а также являются более точными за счёт применения аналоговых комплектующих (и более дешёвыми, так как не содержат сложных микросхем).

Рассмотрим некоторые примеры готовых плат BMS:

В наш современный век всеобщей популяризации литиевых батарей любой, даже простой пользователь бытовых устройств, должен хотя-бы примерно представлять их функционирование и факторы риска при их эксплуатации. Среди произошедших несчастных случаев с аккумуляторами (например, электронных сигарет) лишь небольшой процент обязан производственному браку, чаще всего неисправности возникают в результате неправильной эксплуатации.

В нашей статье мы рассмотрим новейшие технологии, которые призваны защитить литиевые аккумуляторы, а также расскажем, почему они так важны.

Из теории литиевых аккумуляторов можно узнать, что им противопоказан перезаряд, переразряд или разряд слишком большими токами, а также короткие замыкания. При переразряде, в аккумуляторе образуются металлические связи между катодом и анодом, которые приводят к короткому замыканию при зарядке аккумулятора, что может привести к порче не только элементов питания, но и зарядного устройства. Перезаряд же (набор аккумулятором напряжения больше разрешенного) почти сразу ведёт к возгоранию, а зачастую даже к взрыву.

Для горения литиевых аккумуляторов не нужен кислород – оно происходит анаэробно, поэтому стандартные методы тушения не подходят; также, при реакции лития с водой выделяется еще и горючий газ водород, который только ухудшает ситуацию. Разряд высокими токами приводит к вздутию аккумулятора, а если нарушается целостность оболочки – происходит реакция лития с водяными парами в воздухе, что само по себе способно спровоцировать возгорание.

Всё это отнюдь не перечёркивает явные преимущества аккумуляторов, среди них:

  • большая плотность энергии на единицу массы
  • низкий процент саморазряда
  • практически полное отсутствие эффекта памяти (когда заряд неполностью разряженного элемента приводит к снижению ёмкости)
  • большой температурный диапазон работы

Незначительное снижение напряжения в процессе разряда накладывает некоторые обязанности на пользователя. Нельзя допустить превышения максимального напряжения (4.25 В), снижение напряжения ниже минимального (2.75 В), а также превышения рабочего тока, который отличается для каждой модели. И в этом хитром деле нам помогут специальные устройства – BMS-контроллеры!

Что такое BMS?

В переводе с английского, BMS (Battery Management System) – система управления батареей. Понятие слишком широкое, поэтому оно описывает почти все устройства, так или иначе обеспечивающие корректную работу аккумуляторов в данном устройстве, начиная с простых плат защиты или балансировки, заканчивая сложными микроконтроллерными устройствами, подсчитывающими ток разряда и количество циклов заряда (например, как в батареях ноутбуков). Мы не будем рассматривать сложные устройства – как правило, они специфичны и не предназначаются для рядового радиолюбителя, а выпускаются только под заказ для крупных производителей устройств.

То, что продаётся повсеместно, условно можно разделить на четыре категории:

  • балансиры
  • защиты (по току, напряжению)
  • платы, обеспечивающие заряд (да, они тоже считаются устройствами BMS)
  • те или иные комбинации вышеперечисленных вариантов, вплоть до объединения всего в одно устройство

Чем функциональней и разветвлённей защита – тем больше ресурс работы вашего аккумулятора.

Принцип работы BMS-контроллеров

Давайте посмотрим, по какому принципу BMS системы выполняют своё предназначение.

Структурно на плате можно выделить:

  • микросхема защиты
  • аналоговая обвязка (для определения тока/балансировки аккумуляторов)
  • силовые транзисторы (для отключения нагрузки)

Рассмотри подробнее работу каждой из защит.

Защита по току (от короткого замыкания / превышения допустимого тока)

Существует множество вариантов узнать, какой ток течёт по линии. Самый распространённый – шунт (измерение падения напряжения на резисторе с низким сопротивлением и большой мощностью), но он требует большой точности измерений и весьма громоздкий. Метод с измерением на основе эффекта Холла лишён этих недостатков, но стоит дороже, поэтому самый распространённый метод определения КЗ на линии – измерение напряжения, которое проседает практически до нуля в режиме КЗ.

Современные контроллеры позволяют сделать это в очень короткий промежуток времени, за который ущерб не нанесётся ни подключенному устройству, ни самому аккумулятору. Но защита по току может функционировать и на шунте – ведь в случае BMS тут не нужно точное измерение, важен лишь переход падения напряжения через определённый порог. Как только событие наступает, контроллер сразу же отключает нагрузку при помощи транзисторов.

Защита по напряжению (от перезаряда или переразряда)

С этой защитой разобраться попроще, так как измерение напряжения легко можно сделать, используя аналогово-цифровой преобразователь. Но и тут есть некая специфика – стоит отметить, что если контроллер защищает большую сборку из последовательно соединённых аккумуляторов, то обычно он меряет напряжение каждой банки персонально, так как ввиду мельчайших различий в элементах они имеют мельчайшие же различия по ёмкости, что выливается в неравномерный разряд и возможность высадить «в ноль» отдельный элемент.

Некоторые системы не подключают нагрузку, не дождавшись дозаряда аккумулятора до определённого напряжения после срабатывания триггера по переразряду, то есть недостаточно подзарядить элемент пару минут, чтобы он поработал ещё хоть малое время – обычно необходимо зарядить до номинального напряжения (3.6 – 4.2В, в зависимости от типа аккумулятора).

Защита по температуре

Редко встречается в современных устройствах, но не зря большинство аккумуляторов для телефонов оборудовано третьим контактом – это и есть вывод терморезистора (резистора, имеющего чёткую зависимость сопротивления от окружающей температуры). Обычно перегрев не наступает сам собой и раньше успевают сработать другие виды защиты – например, перегрев может быть вызван коротким замыканием.

Алгоритм работы заряда батарей

Зарядка литиевых аккумуляторов происходит в 2 этапа: CC (constant current, постоянный ток) и CV (constantvoltage, постоянное напряжение). В течение первого этапа зарядное устройство постепенно поднимает напряжение таким образом, чтобы заряжаемый элемент брал заданный ток (обычное рекомендованное значение равно 1 ёмкости аккумулятора). Когда напряжение достигает 4В, зарядка переходит на второй этап и поддерживает напряжение 4.2В на батарее.

Когда элемент практически перестанет брать ток, он считается заряженным. На практике, алгоритм можно реализовать и при помощи обычного лабораторного блока питания, но зачем, если есть специализированные микросхемы, заранее «заточенные» под выполнение этой последовательности действий, например, самая известная из них – TP4056, способна заряжать током до 1А.

Что такое балансировка?

Напоследок мы оставили самую интересную функцию BMS – функцию балансировки элементов многобаночного аккумулятора.

Итак, что же такое балансировка? Сам процесс её подразумевает выравнивание напряжений на элементах батареи, соединённых последовательно для повышения общего напряжения сборки. Из-за небольших отличиях в ёмкости батарей они заряжаются за немного разное время, и когда одна банка может уже достигнуть апогея зарядки, остальные могут ещё недобрать заряд.

При разряде такой сборки большими токами наиболее заряженные элементы по закону Ома возьмут на себя больший ток (при равном сопротивлении ток будет зависеть от напряжения, которое находится в знаменателе формулы), что вызовет их ускоренный износ и может вывести элемент из строя. Для того, чтобы избежать этой проблемы, применяют аккумуляторные балансиры – специальные устройства, выравнивающие напряжения на банках до одного уровня.

Активные и пассивные балансиры

Активные балансиры производят балансировку уже при зарядке – зарядив одну банку сборки, они отключают её от питания, продолжая заряжать вторую. Как яркий пример такого устройства – популярное среди моделистов ЗУ Imax B6, в режиме Balance оно сразу проверяет напряжения индивидуально на каждой банке и справляется с этим на отлично.

Пассивные балансиры наоборот, разряжают элементы до одного значения малыми токами через резисторы. Их основной плюс – они не требуют внешнего питания, а также являются более точными за счёт применения аналоговых комплектующих (и более дешёвыми, так как не содержат сложных микросхем).

Рассмотрим некоторые примеры готовых плат BMS:

Для питания марсохода я решил использовать литий-ионные батареи довольно популярного формата 18650. Эти элементы питания хоть и похожи на пальчиковые батарейки, но по характеристикам сильно отличаются. Работая с ними нужно соблюдать ряд предосторожностей. Их нужно правильно заряжать и правильно разряжать.

Что я узнал о литий-ионных батареях 18650

  • 18650 — это размеры корпуса батареи. 18мм — диаметр, 650мм — длина
  • Литий-ионные батареи плохо переносят перезарядку (могут взорваться) и переразрядку (снижается срок службы). Поэтому важно использовать специальную плату защиты от перезаряда и переразряда. Есть батареи 18650 с готовой защитой. Такие элементы питания немного длиннее (из-за круглой платы у плюсового контакта).
  • Защита батареи — это плата посредник, через которую подключается сам элемент питания. Такие платы есть во всех мобильных телефонах и ноутбуках. Вообще, элементы 18650 редко подключаются напрямую (как и другие литий-ионные батареи). Защита контролирует процесс заряда, разряда, отключает батарею при коротком замыкании и т.д. Примером защиты может служить плата на основе чипа TP4056, а также моя CF-4S30A-A. Контроль заряда заключается в том, что плата выставляет нужное напряжение и постепенно меняет силу тока по мере того, как батарея зарядится до 100%. Контроль разряда нужен для того, чтобы отключить батарею, когда ее напряжение упадет до критических 2.6В. Некоторые платы допускают кратковременную (несколько миллисекунд) «просадку» ниже этого порога.
  • Высокотоковые батареи 18650. Максимальный ток отдачи элемента питания как правило прописан в заводских характеристиках. Но обычно он равен емкости умноженной на 2. В моем случае
    2600мАч * 2 = 5.2АЕще есть высокотоковые батареи, которые могут отдавать по 20-30А. Емкость таких банок обычно ниже. Но именно высокотоковые элементы следует использовать для таких инструментов как шуруповерты. Их ток потребления может превышать 10А.
  • Процесс заряда литий-ионных батарей. На контакты батарей подается напряжение равное заряженной банке (обычно для 18650 это 4.2В). Сила тока снижается по мере заряда батареи. Если в начале она может быть 1А, то в конце 100мА и т.д. Максимальную силу тока заряда можно рассчитать поделив емкость аккумулятора на 2. Для моих батарей это:
    2600мАч / 2 = 1.3АЗаряженная батарея имеет напряжение 4.2В, а разряженная 2.6В (для разных элементов эти пороги могут отличаться). Зная напряжение батареи можно примерно сказать на сколько процентов она заряжена.
  • Балансировка заряда. Актуально для батарейных блоков из нескольких банок соединенных последовательно. Если банки в такой цепи имеют разные степени заряда, то заряжать их нужно разными токами (к примеру, для одной нужно будет подавать 1А, для другой 0.5А). Какие-то из них зарядятся раньше, какие-то позже. Когда банка достигнет напряжения 4.2 вольта, ее нужно будет отключить от зарядки. При этом нужно продолжить заряжать остальные элементы. В этом и есть суть балансировки. В плате CF-4S30A-A балансировка заряда есть.
  • Батарейные блоки из банок 18650 следует собирать из элементов с похожими характеристиками (емкость, ток отдачи, и даже дата производства). Это особенно важно для последовательного соединения. Вот простой пример. У вас есть 4 элемента с разными емкостями: 3 банки на 3400мАч и 1 на 2000мАч. При эксплуатации банка с меньшей емкостью раньше разрядится до нижнего порога 2.6В. Тут же сработает защита разряда и отключит весь ваш батарейный блок. Да, остальные 3 элемента так и не успеют разрядиться до заветных 2.6В. Емкость такого блока будет равно емкости самого слабого элемента.

Батарейные блоки для марсохода

Блоки питания марсохода будут состоять из 4-х банок 18650, соединенных последовательно. Каждым блоком будет управлять BMS (Battery Management System) плата CF-4S30A-A. Также в моем распоряжении 16 элементов 18650 и батарейные боксы, рассчитанные на высокие токи. Итак, поехали.

Батареи ICR 18650 2600 mAh 3.7v

Батареи покупал тут по $22 за 8 штук. При выборе я обращал внимание на цену и отзывы. С ценой вообще отдельная история. Как известно, в Беларуси есть лимит на посылки 22 евро в месяц. Все, что более того, не иначе как оптовая поставка. В России, к слову, этот лимит ни много ни мало — $1000. Принципиально избегаю превышения лимита в 22 евро. Не хочу обогащать тех, кто делает нашу жизнь хуже. Выручают друзья и родственники, которым можно отравить те или иные посылки.

Бокс для батарей формата 18650

Следующий компонент, это пластиковые боксы. Их я тоже брал на aliexpress по $6.67 за 6 штук. В Минске такое же количество можно купить за $21.

Плата BMS CF-4S30A-A со схемой подключения

Платы обошлись мне по $2 за штуку на aliexpress вот у этого продавца. Выбирал по отзывам и току отдачи (30A).

За пару вечеров все спаял. В результате получились такие блоки.

Батарейные блоки для марсохода

Каждый блок может выдавать без особых проблем 9В 10А через понижающий преобразователь. Я планирую установить преобразователи на следующие напряжения:

  • 9В — моторы колес;
  • 6В — сервоприводы;
  • 5В — плата Raspberry pi;
  • 3.7В — инфракрасные лампы для ночной съемки.

Для питания главного компьютера нужен отдельный блок. На борту будет резервный блок питания (но это пока в планах). Всего мне понадобится до 30 элементов 18650.

Мой зоопарк преобразователей напряжения

Апгрейд платы заряда-разряда CF-4S30A-A

Проблема: некоторые производители не рекомендуют ставить плату CF-4S30A-A на шуруповерты. И вот почему. При резком старте ток потребления кратковременно превышает порог защиты и плата выключает подачу напряжения (но это не точно:). При резком нажатии на курок шуруповерта двигатель немного дергается и замолкает. Чтобы разогнать мотор, нужно нажимать на курок плавно. Толку от такого шуруповерта конечно мало.

Улучшение платы: Первое что нужно сделать, убедиться, что вы используете провода с толстым сечением. На схеме выше толстыми должны быть провода ведущие к контактам P-, P+, B- и B+. Чем толще сечение этих проводов, тем более стрессоустойчивой будет плата. Сэкономив на этом, вы как и я можете спалить дорожку на плате.

Если с вашими проводами все в порядке, можно переходить ко второму решению. В плату CF-4S30A-A знающие люди рекомендуют впаивать SMD 0603 конденсатор на 0.1 мкФ. На плате для этого есть удобное место. Подробнее об этом решении можно прочитать здесь. Я впаял конденсаторы в каждую плату. Но в моем случае это была скорее предосторожность, так как мои блоки питания перестали уходить в защиту уже после замены проводов.

Питание марсохода

В итоге получилось 4 основных блока и 1 запасной. Для подключения батарей использовал специальные коннекторы, которые пропускают до 25 ампер.

В корпусе марсохода батареи старался распределять равномерно, они довольно тяжелые. Также старался размещать из подальше от нагревающихся радиаторов.

Следующий этап, подключение всех питающих узлов.

Впереди испытания. Необходимо понять правильно ли я рассчитал потребление цепи. Также будет понятно на сколько хватит таких батарей при активной езде по квартире.

Если вы нашли какие-то недочеты или ошибки, пожалуйста, напишите об этом в комментариях.

О моем опыте использования платы CF-4S30A-A можно прочитать здесь


[an error occurred while processing the directive]
Карта сайта